毛细作用是指浸润液体在细管里升高和不浸润液体在细管里降低的现象,是液体的惯性力、黏性力、毛细力与重力等共同作用的结果[1]。土壤毛细水是靠毛细吸引力而保持于土壤毛细孔隙中的水。土壤毛细水上升高度对包括路基冻坏以及农田土壤次生盐渍化等在内的众多过程具有重要的影响,目前国内外学者在毛细水上升高度方面已经开展了大量的研究工作但尚不深入。
于丹等[2]进行了不同干密度重塑黄土的毛细上升速率和最大高度的研究,发现毛细最大上升高度与干密度之间非线性关系,而是呈现近似抛物线的函数关系。李先瑞等[3]针对改性黄土进行了垂直方向毛细水上升作用的研究,发现石灰能够有效降低土体内的含水率,且随着含量的增加,吸水作用越明显,而水泥对于土体内部结构的改性作用更大,提升土体强度和遇水稳定性,阻碍毛细水上升作用显著。肖红宇等[4]进行了基于黏性土分形特征的毛细水上升高度研究,推导出土体内毛细水上升高度预测公式,并将公式预测结果与实测结果进行了对比分析,发现误差在工程允许范围之内,具有一定的实际应用价值。落宇杰等[5]进行的压实黄土状粉土毛细特性试验发现,毛细水上升的速率随毛细上升高度的增加而逐渐衰减。袁玉卿等[6]通过室内试验研究了豫东黄泛区粉砂土毛细水上升规律及控制技术,研究发现随时间的延长毛细水上升高度逐渐稳定,毛细水上升速度与压实度呈反比,级配碎石、水泥稳定土、纤维水泥稳定土能有效阻隔毛细水上升。
胡明鉴等[1]进行了砂性土条件下,不同粒径及潜水矿化度组合的毛细水上升试验,研究了不同粒径及潜水矿化度下对毛细水上升高度及上升速度的规律。王聪[7]、栗现文[8]等通过观测毛细水上升速度和高度,研究不同浓度盐溶液和盐渍土对毛细水上升的影响,并对这些影响因素进行机理分析。
魏样[9]、童玲[10]等分别研究了石油及柴油污染对土壤毛细水上升特性的影响。章求才等[11]研究了温度和气压对某金属矿山尾矿坝中毛细水上升规律的影响,发现温度对毛细水上升的影响较气压大; 在毛细水上升初期,温度、气压对毛细水上升规律的影响不大,但在上升后期其影响逐渐明显。
Masoodi等[12]采用达西定律模拟了液体向由纤维素和高吸水性纤维制成的纸状膨胀多孔介质中的芯吸现象。提出了新的毛细模型,将多孔介质中达西定律与质量守恒方程相结合,通过向质量守恒方程添加附加的汇或源项,以说明基质的膨胀和液体吸收。新模型预测芯吸速率较修正的沃什伯恩方程预测芯吸速率更好。
Aghajani等[13]提出了一种改善土壤中毛细水上升高度准确性的方法,该方法重新考虑了传统方法中被忽略的毛细区域中水分和吸力的变化,试验结果表明,改进的方法比以前的毛细管上升解决方案更加准确和通用。
Fili等[14]进行了采用多相格子玻尔兹曼方法(LBM)检验土壤持水曲线中毛细现象的研究。LBM模型首先针对基准问题进行验证,然后用于模拟静态粒子阵列,以此来研究初始流体密度分布对系统毛细管响应的影响。结果表明,湿润锋的统一性直接影响土壤骨架毛细响应峰值的大小。
Zhou等[15]研究了非饱和土的抗剪强度与毛管持水曲线的关系,提出了一种新的、考虑吸附水毛细凝结的非饱和土壤保水模型。模型中,将土壤的饱和度分为基于毛细管水的饱和度和基于吸附水的饱和度。通过对部分饱和的双圆柱系统的分析,提出了一种新的非饱和土抗剪强度准则。研究结果将大大改进对试验数据预测的准确性。
以上对毛细水高度的研究多侧重于室内土柱试验,研究内容多集中于不同土质结构、矿化水、污染物以及外界温度压力等方面,取得了一定的研究成果。而基于多物理场耦合的毛细水上升高度机理方面研究尚未见公开报道。本文使用多孔介质中多相流理论,通过多物理场耦合软件COMSOL Multiphysics建立模型,耦合多孔介质界面中达西定律和相输运,最后通过实验室土柱试验对模拟结果进行验证。研究结果将对弄清毛细水上升机理提供新的思路和方法。
